中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：近日，英國皇家化學(xué)會(huì) Chemistry World 網(wǎng)站以《China Powers Up》為題報(bào)道了中國近些年在清潔能源領(lǐng)域取得的重大進(jìn)步，并特別強(qiáng)調(diào)原始創(chuàng)新在其中發(fā)揮的重要作用。
本專題報(bào)道（Feature）干貨滿滿，不僅數(shù)據(jù)詳實(shí)，更對(duì)幾項(xiàng)重點(diǎn)新能源技術(shù)做了詳細(xì)解讀，還采訪了許多領(lǐng)軍人物。小編在此精選了部分內(nèi)容，歡迎大家一睹為快。
清潔能源異軍突起
近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的崛起，中國的能源產(chǎn)量也取得了非常迅猛的增長。
▲ 中國能源總產(chǎn)量增長迅猛
另一方面，中國的人均能源用量雖然比發(fā)達(dá)國家低很多，但增長速率卻很快，現(xiàn)已超過了世界平均水平。
▲ 各地區(qū)與全球的人均能源用量
為了確保能源供應(yīng)的可持續(xù)性，中國政府已經(jīng)開始大力推動(dòng)清潔與可持續(xù)能源的發(fā)展。僅在 2015 年，中國在可再生能源領(lǐng)域的投資就高達(dá) 1030 億美元，占全球總投資的近 1/3（數(shù)據(jù)來源：聯(lián)合國環(huán)境署）。這些投資現(xiàn)在已經(jīng)收到效果，近些年來可再生能源的產(chǎn)量有了明顯的增加。
▲ 中國的可持續(xù)能源產(chǎn)量變化
在過去十年里，中國建立了越來越多的清潔能源研究中心，中國的科學(xué)家們也正在從光伏到電池再到 CO? 捕集和利用在內(nèi)的多個(gè)領(lǐng)域開展前沿研究。得益于充沛的資金支持，這些研究成果正以驚人的速度轉(zhuǎn)化為商業(yè)化產(chǎn)品。
在人們的印象中，中國往往精于“山寨”他國發(fā)明的技術(shù)而非自我創(chuàng)新；如今，這種觀點(diǎn)已經(jīng)落伍了。 —— Pierre Verlinden
對(duì)在應(yīng)對(duì)全球氣候變化方面所做的努力來說，中國能源產(chǎn)業(yè)的進(jìn)步已產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。目前中國的 CO? 排放量占全球的 1/4 以上，主要來自燃煤發(fā)電站，而中國制定的目標(biāo)是在 2030 年實(shí)現(xiàn)前 20% 的電力來自非化石資源 ，并在同一時(shí)期內(nèi)將溫室氣體排放量減至 2010 年水平的一半。
▲ 多國的 CO? 排放量
很顯然，這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)取決于化學(xué)科學(xué)的進(jìn)步：「 所有這些的關(guān)鍵是基礎(chǔ)研究」（英國謝菲爾德大學(xué)英國二氧化碳利用中心主任 Peter Styring）。
本文以全釩液流電池、光伏產(chǎn)業(yè)和 CO? 的捕集與利用這三個(gè)主題為例，深入解讀了中國在這些方面取得的巨大進(jìn)步和成就。
VFBs：真正的中國創(chuàng)新
在儲(chǔ)能領(lǐng)域，中國不僅是全球最大的動(dòng)力電池——鋰電池生產(chǎn)國，也是電網(wǎng)級(jí)先進(jìn)大型儲(chǔ)能技術(shù)——全釩液流電池（VFBs）的最大生產(chǎn)國。
本文首先介紹的大連融科儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展有限公司（以下簡稱“融科儲(chǔ)能”）2008 年成立于大連高新區(qū)，由大連博融控股集團(tuán)和中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所共同組建，是全球唯一具備全釩液流電池全產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)開發(fā)和生產(chǎn)能力的企業(yè)。
小知識(shí)：全釩液流電池
由于可再生能源具有間歇性、不穩(wěn)定性、不可調(diào)控等自然屬性，導(dǎo)致其并網(wǎng)、消納和利用等方面存在眾多困難和挑戰(zhàn)。通過引入全釩液流電池儲(chǔ)能技術(shù)，將可以有效提高電力系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性、調(diào)整頻率、補(bǔ)償負(fù)荷波動(dòng)、降低供電成本、提高電力設(shè)備利用率等，促進(jìn)可再生能源的并網(wǎng)和使用。
作為過渡金屬，釩的價(jià)態(tài)十分豐富，+2、+3、+4、+5 價(jià)離子在水里均有不錯(cuò)的溶解度，而且顏色也十分好看。釩 +2 價(jià)和 +5 價(jià)離子間有 1.25 V 的電位差，這就給了釩自己和自己組成電池的能力。
自 1985 年成功開發(fā)出第一臺(tái)原型機(jī)以來，全釩液流電池（Vanadium flow batteries，VFBs）的發(fā)展已經(jīng)有 30 多年。釩液流電池屬于水系液流電池，使用釩離子的硫酸溶液作為電能的儲(chǔ)存介質(zhì)。
▲ 液流電池的工作機(jī)制
Credit: 美國西北太平洋國家實(shí)驗(yàn)室 - S&T
VFBs 系統(tǒng)由一個(gè)電堆、兩個(gè)儲(chǔ)能罐以及配套的液流泵和管路組成。電解液平時(shí)存在儲(chǔ)能罐里，充放電時(shí)泵入電堆中進(jìn)行反應(yīng)。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，儲(chǔ)能罐、電堆、液流泵等都可以整合于一套集裝箱內(nèi)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化運(yùn)行。
▲ VFBs 的結(jié)構(gòu)示意圖，重要組件包括
各種電極、雙極板、離子交換膜等
J. Mater. Chem. A, 2015, 3, 16913-16933
全釩液流電池相對(duì)于鋰電池的優(yōu)勢主要有：
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方便規(guī)模化
一套系統(tǒng)可以做小也可以做大，或者由多個(gè)集裝箱自由組合而成。 -
使用壽命長
鋰離子電池的壽命可能只有 8 年，而按照美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)室能源儲(chǔ)備聯(lián)合研究中心主任 George Crabtree 的說法，VFBs 的壽命“長達(dá) 20 年也不足為奇”。 -
安全性較好
面對(duì)鋰離子電池忌諱的大電流和過充過放毫無壓力，而且根本不會(huì)起火爆炸。
大連化物所首席科學(xué)家張華民掛帥的全釩液流電池研發(fā)團(tuán)隊(duì)，目前已成功開展了近 30 項(xiàng)應(yīng)用示范工程，其中包括當(dāng)前正在實(shí)施的 200MW/800MWh 液流電池儲(chǔ)能調(diào)峰電站項(xiàng)目；建成之后將是截至目前，全球規(guī)模最大的化學(xué)儲(chǔ)能電站，并會(huì)令特斯拉在澳大利亞建成的世界最大鋰電池蓄電站（129MWh）相形見肘。
全釩液流電池大規(guī)模應(yīng)用的最大障礙之一便是 VFBs 中通常使用 Nafion 膜：這種膜價(jià)格昂貴，還容易被釩離子堵塞。融科儲(chǔ)能成功開發(fā)了一種基于非氟化聚合物的替代膜，不僅比 Nafion 膜便宜 80％，還具有更小的孔隙，可以實(shí)現(xiàn)更好的離子選擇性。這使得質(zhì)子可以通過膜加速，將電池中的電流密度提高到 160mA/cm2，并顯著提高輸出功率。
在融科儲(chǔ)能的工廠里，機(jī)器人機(jī)械手在密封室內(nèi)迅速將這些黑色海綿膜切成 30cm × 75cm 的矩形以用于單電池（cell）的制造。融科儲(chǔ)能副總經(jīng)理許曉波表示，對(duì)材料的進(jìn)一步改進(jìn)預(yù)計(jì)將使其電流密度超過 200mA/cm2。
同時(shí)，在堆疊中的相鄰單電池之間提供導(dǎo)電連接的 2mm 寬雙極板，之前是由昂貴且脆性的石墨制成的，而融科儲(chǔ)能開發(fā)出了一種低成本、高柔性的高導(dǎo)電性碳塑復(fù)合板。
張華民研究員相信第二代 VFBs 的成本會(huì)進(jìn)一步降低。電解質(zhì)的成本占 VFBs 總成本的比例可高達(dá)約 40%，因此當(dāng)一臺(tái) VFB 壽命到期時(shí)， 其中的釩可以被轉(zhuǎn)移至另一臺(tái) VFB，從而大幅降低成本。
只要短短的 15 年就可以實(shí)現(xiàn)從基礎(chǔ)研究到商業(yè)化應(yīng)用的跨越，這是一件非常令人滿意的事。 —— 張華民
當(dāng)然，VFBs 并不是唯一的游戲參與者。美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)室儲(chǔ)能研究聯(lián)合中心主任 George Crabtree 舉例說，位于深圳的電池制造商比亞迪（BYD）一直致力于以磷酸鐵為負(fù)極的鋰離子電池（LFP）的應(yīng)用。雖然這類電池的功率和能量密度都低于競爭對(duì)手的氧化鈷負(fù)極鋰離子電池，但它們更便宜、壽命更長。Crabtree 補(bǔ)充到：「中國的研究人員開始參與進(jìn)來，推動(dòng)了技術(shù)進(jìn)步并創(chuàng)造出更好的電池?！?
在北京工作的能源咨詢師 Anders Hove 預(yù)計(jì)，隨著中國的制造商們開始發(fā)展新型電池技術(shù)并擴(kuò)大制造規(guī)模，電池的成本可能會(huì)迅速下降。按照他的說法，「人們往往未能意識(shí)到中國制造能讓這些東西的成本降到多么低?！?
光伏：成功的故事
就在十年前，光伏（PV）發(fā)電的每瓦特成本通常會(huì)超過 5 美元；今年，中國制造的硅電池將使每瓦的發(fā)電成本低于 0.25美元。在過去的十年中，中國的光伏產(chǎn)值以驚人的速度增長；中國公司能迅速改進(jìn)生產(chǎn)流程，并及時(shí)采用最新的太陽能技術(shù)。中國目前制造了世界上大部分的太陽能光伏組件；截至 2017 年，光伏裝機(jī)容量已經(jīng)已超過 300GW，占全球總發(fā)電量的 2％。
中國還安裝了比任何其他國家都要多得多的太陽能電池板。僅在 2016 年，中國的太陽能裝機(jī)容量從 43GW 躍升至 77GW。2016 年 12 月，中國宣布了一項(xiàng)新的光伏發(fā)展五年計(jì)劃，目標(biāo)是到 2020 年實(shí)現(xiàn)光伏裝機(jī)容量達(dá)到 110GW。然而根據(jù)彭博新能源財(cái)經(jīng)在 2018 年 1 月給出的分析評(píng)估，中國僅在 2017 年就完成了足以超越這一目標(biāo)的光伏裝機(jī)容量。
「這些成就是非常了不起的，而且這是得益于中國自己的研究成果，」常州天合光能有限公司副總裁、首席科學(xué)家，光伏科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（SKL PVST）副主任 Pierre Verlinden 博士說到。他所在的常州天合光能公司是全球最大的光伏電池供應(yīng)商之一，2016 年銷售的模組超過 23GW，占全球市場的 10% 以上。
小故事：Perc 與 IBC 太陽能電池
中國的光伏五年計(jì)劃將 PERC（passivated emitter rear contact，鈍化發(fā)射極背面接觸）電池列為重點(diǎn)支持的光伏技術(shù)。與標(biāo)準(zhǔn)光伏電池相比，PERC 電池的結(jié)構(gòu)略微不同，并在電池背面包含一層絕緣材料（如氧化鋁）。這有助于將未吸收的光反射回半導(dǎo)體，從而提高電池的整體效率。
PERC 電池在 20 世紀(jì) 80 年代后期就開始開發(fā)了，但由于氧化鋁層沉積和成型方面的困難，總共花費(fèi)了 30 年的時(shí)間才實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的商業(yè)化應(yīng)用。根據(jù)市場調(diào)研公司 EnergyTrend 的數(shù)據(jù)，預(yù)計(jì)中國的 PERC 電池產(chǎn)量將從 2016 年的 15GW 增加到 2020 年的 61GW，屆時(shí)將占硅基太陽能電池市場的 45% 左右。
▲ SKL PVST 位于江蘇常州天合光伏產(chǎn)業(yè)園內(nèi)
2016年，光伏科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室成為了中國首批以企業(yè)為依托單位的國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，其開發(fā)的 PERC 電池創(chuàng)造了 22.6% 效率的世界紀(jì)錄。該型產(chǎn)品在不到一年的時(shí)間里就實(shí)現(xiàn)了批量生產(chǎn)。
光伏效率的提升是建立在一系列漸進(jìn)式改進(jìn)的基礎(chǔ)之上的，例如減少硅材料內(nèi)的雜質(zhì)含量以抑制電子和空穴的重組、調(diào)整電池組件以及改進(jìn)生產(chǎn)工藝等。正如 Verlinden 博士所說的：「這就是跬步千里的過程?！?
Things have changed — we’ve really demonstrated that innovation is happening in China
Verlinden 說，該公司還致力于交叉式背接觸（interdigitated back contact，IBC）電池的研發(fā)工作。這種附加值更高的電池可以實(shí)現(xiàn)更高的效率，對(duì)于占地面積不太大的光伏電站來說是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。
常規(guī)的太陽能電池板通常將用于電流傳輸?shù)睦|線網(wǎng)格設(shè)置在電池頂部，而這種做法會(huì)對(duì)入射光造成阻擋。IBC 電池將這些電極轉(zhuǎn)移到設(shè)備的背面，從而讓更多的光線得以通過，提高了電池的效率，但也使得制造工藝更為復(fù)雜。
Verlinden 博士將他們的成功歸因于「上班聊微信」：中國光伏領(lǐng)域的研究人員和工程師們都是微信的活躍用戶。「中國的整個(gè)光伏產(chǎn)業(yè)都是這樣溝通的，我?guī)缀趺课宸昼娋蜁?huì)收到一條微信消息，」他說，「有人在世界某個(gè)地方展示了一套幻燈片，兩分鐘后這些 PPT 就會(huì)出現(xiàn)在我的手機(jī)上。It is absolutely amazing. 有成千上萬的人用同一套流程進(jìn)行工作，而且他們還在相互合作?！?
下一代光伏技術(shù)
以硅為基礎(chǔ)材料的光伏電池的迅速增長，也可能會(huì)帶來不利影響。對(duì)硅電池生產(chǎn)線的巨大投資可能會(huì)擠占更為資源集約型的薄膜光伏技術(shù)（如碲化鎘）的市場地位。但另一種新興薄膜技術(shù)的出現(xiàn)可能會(huì)避免該問題，這就是鈣鈦礦太陽能電池——其在過去十年中取得了飛速的發(fā)展，效率從 2009 年時(shí)的約 4％ 上升到 2017 年時(shí)的 22％ 以上。
鈣鈦礦太陽能電池是利用鈣鈦礦結(jié)構(gòu)材料（如甲基碘化鉛）吸收光能并產(chǎn)生電流的，而利用低溫溶液加工法就能相對(duì)便宜地制備出這些材料了。非常關(guān)鍵的一點(diǎn)是，可以通過調(diào)節(jié)鈣鈦礦材料的化學(xué)性質(zhì)來讓它們吸收硅基材料不能吸收的太陽光波段。這就是說，鈣鈦礦電池可以放置在硅電池的上部，從而以這種串聯(lián)的方式提高總體的電流輸出——鈣鈦礦是個(gè)助手而不是商業(yè)對(duì)手。
市場調(diào)研公司 Lux Research 的數(shù)據(jù)顯示，中國正處在鈣鈦礦太陽能電池這一研究領(lǐng)域的最前沿；截至 2015 年，該領(lǐng)域有近四分之一的研究論文是由中國學(xué)者發(fā)表的。此外，中國的科研人員們已經(jīng)在著手進(jìn)行鈣鈦礦電池的商業(yè)化開發(fā)了。
例如，如果電池可以被做成柔性的形式，那么就可以使用快速高效的“卷到卷”生產(chǎn)方法來制造電池。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，由劉生忠研究員率領(lǐng)的大連化物所團(tuán)隊(duì)最近開發(fā)了一種柔性鈣鈦礦電池，其能量轉(zhuǎn)換效率為 16%，是已報(bào)道的柔性鈣鈦礦電池中最高的（Adv. Mater., 2016, 28, 5206）。這種優(yōu)異的性能表現(xiàn)部分是因?yàn)槭褂昧穗x子液體來促進(jìn)電池內(nèi)的電子傳輸。
煤：不僅僅是燒掉
雖然多種清潔能源在中國都取得了長足的發(fā)展，但現(xiàn)階段中國的能源結(jié)構(gòu)依然以煤炭為主。中國的燃煤電站總裝機(jī)容量超過 900GW，占到總發(fā)電量的三分之二。預(yù)計(jì)到 2030 年時(shí)，煤炭在中國的各類能源形式中的占比仍將超過 50%。
▲ 中國不同能源類型的占比
與各類清潔能源相比，煤炭的燃燒會(huì)帶來許多污染，比如二氧化硫、氮氧化物、可吸入顆粒物等。燃煤帶來的另一種排放物就是 CO? — CO? 排放量的增加必然帶來碳足跡的增加。據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國的燃煤電站對(duì) CO? 排放量的貢獻(xiàn)超過了 80％；從 CO? 排放量的增長速率來看，中國也超過了其它國家。
▲ 不同來源的 CO? 排放量
方案一：捕獲
為了實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)，中國非常重視碳捕集、利用和儲(chǔ)存（carbon capture, utilisation and storage，CCUS）技術(shù)方面的開發(fā)與投入—— 這類技術(shù)可以捕獲化石燃料燃燒后釋放的二氧化碳，然后將其用作化學(xué)原料，或?qū)⑵鋬?chǔ)存在地下巖層中。
2017 年，陜西榆林市的延長集成碳捕集與封存示范項(xiàng)目正式開工建設(shè)，其目標(biāo)是每年從兩座煤化工廠捕獲約 40 萬噸 CO?，然后將捕獲的 CO? 泵入喬家洼油田，以幫助開采石油。中國計(jì)劃發(fā)展七個(gè)以上的 CCUS 項(xiàng)目，并有望在未來二十年成為該領(lǐng)域的主要參與者。
典型的 CO? 捕獲過程使用單乙醇胺這樣的溶劑與 CO? 反應(yīng)形成 C–N 鍵；隨后這些 C–N 鍵在 100-120℃ 下分解并釋放出適合于儲(chǔ)存或再利用的純凈 CO?。其中的一大挑戰(zhàn)是，以這種方式捕集、分離和釋放 CO? 的過程會(huì)產(chǎn)生溫度波動(dòng)，從而使工藝成本居高不下，每捕獲一噸 CO? 就要花費(fèi) 50-100 美元，并且會(huì)消耗發(fā)電廠 25-40% 的電量產(chǎn)出。
因此，研究人員正在努力研究可以降低 CO? 捕獲成本的方法，例如可以物理吸附 CO? 然后在非常溫和的條件下將其釋放的多孔材料——其中的一種就是金屬有機(jī)骨架（MOFs）材料。MOFs 的一個(gè)優(yōu)勢是它們的結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)是高度可調(diào)的，因此在理論上就可以設(shè)計(jì)出能夠特異性結(jié)合CO? 的 MOFs 材料（將 CO? 與其它氣體成分有效分離），而且這種 MOFs 材料還可以在溫和加熱的情況下釋放出吸附的 CO?。
方案二：轉(zhuǎn)化
除了將 CO? 注入地下，另一個(gè)更好的選擇是將其轉(zhuǎn)化成其它有用的化學(xué)品。通常用氧氣和蒸汽來處理煤炭以產(chǎn)生合成氣——即氫氣和一氧化碳的混合物。然后合成氣可以通過“費(fèi)托法”來制造液態(tài)烴燃料，或者生產(chǎn)如甲醇這樣的關(guān)鍵化學(xué)品。
中科院大連化物所（DICP）在此領(lǐng)域具有國內(nèi)領(lǐng)先的地位。以 DICP 為依托單位的國家清潔能源實(shí)驗(yàn)室（籌，英文縮寫 DNL）是我國能源領(lǐng)域籌建的第一個(gè)國家實(shí)驗(yàn)室。
2017 年 10 月，由 DNL 主任李燦院士率領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種氧化鋅-氧化鋯催化劑，可以將H? 和 CO? 轉(zhuǎn)化為甲醇（Sci. Adv., 2017, 3, e1701290）。此前用于此反應(yīng)的催化劑對(duì)甲醇的選擇性比較差，獲得的產(chǎn)物較為復(fù)雜，或者可能快速失活。這種新型的雙金屬催化劑則能穩(wěn)定保持活性 500 小時(shí)，并確保產(chǎn)物中的甲醇含量超過 90％。李燦院士解釋到，催化劑中的鋅與 H? 結(jié)合，而相鄰的鋯則結(jié)合并活化 CO?。
▲ DNL 主任李燦院士
